Титанови сплави в авиацията

Въздушният транспорт е станал неотделима част от нашите ежедневни животи — независимо дали става въпрос за логистиката на въздушни пратки или за пътуване със самолет. Когато вдигнем поглед към небето и наблюдаваме самолетите, които прелитат над нас, естествено възниква въпросът: от какви материали се изграждат самолетите, които могат да пренасят такива масивни товари и да функционират на високи височини?
Нека разгледаме материалите, които стоят зад тази забележителна способност.

Обща информация за титана

През 1948 г. компанията DuPont успешно постигна промишленото производство на спонжест титан чрез процеса на редукция с магнезий, което отбеляза важен етап в историята на титановите материали. Оттогава титановите сплави намират широко приложение в различни индустрии благодарение на своите изключителни физически свойства, сред които: висока специфична якост, отлично корозионно съпротивление и превъзходна термостойкост .

Забележително е, че титанът е разпространен елемент в земната кора, като заема девето място по общо съдържание , което значително надвишава наличността на често използваните метали като мед, цинк и олово. Той е широко разпространен в много видове скали, особено в пясъците и глините, където запасите му са особено големи.

Характеристики на титана

Титанът притежава редица изключителни свойства, сред които: висока якост, висока термична якост, отлично корозионно съпротивление, изключителна нискотемпературна работоспособност и силна химическа активност .

По-специално, здравината на титана далеч надхвърля тази на алуминиевите сплави, магнезиевите сплави и неръждаемите стомани, което прави титана един от най-изявените конструкционни метали. Титановите сплави също проявяват изключително добро поведение при високи температури, като работните им температури са значително по-високи от тези на алуминиевите сплави, и могат да запазват дълготрайна експлоатационна способност при 450–500°C .

Освен това титанът проявява отлична устойчивост към киселини, основи и атмосферна корозия, като особено силно се проявява устойчивостта му към петниста корозия и корозионно напрегнато пукане при ниски температури титановите сплави, като например TA7 запазват добра пластичност и механични свойства дори при температури, достигащи –253°C .

Обаче титанът проявява висока химическа реактивност при високи температури и лесно може да реагира с газове като водород и кислород във въздуха, образувайки затвърдени повърхностни слоеве. Освен това титановите сплави имат относително ниска топлопроводност — приблизително 1/4 от това на никела, 1/5 от това на желязото и 1/14 от това на алуминия —докато техният модул на еластичност е приблизително половината от този на стоманата . Тези характеристики правят титана незаменим в много напреднали инженерни приложения.

Класификация и приложения на титановите сплави

Титановите сплави могат да се класифицират според приложението си като сплави, устойчиви на високи температури, високопрочни сплави, корозионноустойчиви сплави (например Ti-Mo и Ti-Pd сплави), нискотемпературни сплави , и специални функционални сплави , включително титан-железни материали за съхранение на водород и титан-никелови сплави с памет на форма.

Въпреки че историята на приложение на титановите сплави е относително кратка, тяхната изключителна производителност им е осигурила множество отличия, едно от които е титлата „космически метал“. Това наименование произлиза от тяхната малка маса, висока якост и отлично съпротивление на високи температури, което ги прави идеални материали за самолети и космически летателни апарати.

В момента приблизително три четвърти от глобалното производство на титан и титанови сплави се използват в аерокосмическата сфера , като много компоненти, които преди се изработваха от алуминиеви сплави, сега се заменят с титанови сплави.

Авиационни приложения

Титановите сплави са критични материали при производството на самолети и двигатели. Те се използват широко в ковани вентилаторни компоненти, дискове и лопатки на компресори, корпуси на двигатели, изпускателни системи , както и структурни компоненти като рамки и прегради .

В аерокосмическите приложения високата специфична якост, корозионната устойчивост и добрата работоспособност при ниски температури на титановите сплави ги правят идеални за налягане съдове, резервоари за гориво, фастони, крепежни ленти за инструменти, структурни рамки и ракетни корпуси . Сварените листови титанови сплави се използват широко в изкуствени спътници, лунни модули, пилотирани космически кораби и космически совалки .

През 1950 г. Съединените щати за пръв път прилагат титанови сплави в Изтребителя-бомбардировач F-84 , като ги използват за ненатоварени компоненти като топлоизолационни екрани на задната част на фюзелажа, въздушни канали и обтекатели на опашката. От 1960-те години насам титановите сплави се разширяват от приложенията си в задната част на фюзелажа към средната част на фюзелажа, частично замествайки конструкционната стомана в прегради, греди и механизми за управление на закрилките .

През 1970-те години, с масовото производство на гражданска авиация, като например Boeing 747 , използването на титан рязко нарасна. Само Boeing 747 използва повече от 3640 кг титан , което представлява приблизително 28 % от конструкционната тежест на самолета . Сплавите на титана също започнаха широко да се използват в ракети, спътници и космически кораби.

Машинни характеристики на титановите сплави

Първо, титановите сплави имат относително ниска топлопроводност — само около една четвърт от тази на стоманата, една тринайсета от тази на алуминия и една двайсет и пета от тази на медта по време на машинна обработка разсейването на топлината и охлаждането са следователно неефективни, което води до високи температури, концентрирани в зоната на рязане . Това може да предизвика деформация на заготовката и еластично възстановяване, да увеличи рязащия момент, да ускори износването на режещия ръб и значително да намали срока на служба на инструмента.

Второ, тъй като топлината от рязането се концентрира около режещия ръб и не може бързо да се разсее, триенето по предния повърхностен фланец се увеличава, което затруднява отвеждането на стружката и допълнително ускорява износването на инструмента.

Накрая, при високи температури химичната активност на титановите сплави значително се повишава. Те имат склонност да реагират с материала на инструмента, което води до адхезия, дифузия и образуване на натрупана ръбна част . Тези явления могат да доведат до залепване, изгаряне или чупене на инструмента и сериозно да повлияят върху качеството и ефективността на машинната обработка.

Преимущества на машинните центрове

Машинните центрове могат да обработват едновременно множество компоненти, което значително подобрява производствената ефективност. Високата им прецизност гарантира отлично съответствие на продуктите, а функциите за компенсация на инструментите позволяват пълно използване на вродената точност на машината.

Машинните центрове освен това предлагат висока адаптивност и гъвкавост , лесно изпълнявайки обработка по дъга, фасовка и закръглени преходи. Още по-впечатляващо е, че те поддържат многофункционални операции , включително фрезоване, свределение, разширяване на отвори и нарезане на вътрешна резба — всичко това на една и съща машина.

От гледна точка на контрола на разходите машинните центрове позволяват точен разчет на разходите и планиране на производството, елиминират необходимостта от специализирани приспособления, намаляват общите разходи и скъсяват производствените цикли. Те също така значително намаляват трудовата тежест и могат да се интегрират безпроблемно с CAM софтуер, като например UG (NX) да извършва многосилено фрезоване.

Избор на режещи инструменти и охлаждащи течности

Изборът на подходящи режещи инструменти и охлаждащи течности е от критично значение при обработката на титанови сплави. Материалите за инструменти трябва да притежават висока твърдост и износостойки特性 за осигуряване на ефективно отстраняване на материала. Изборът на охлаждаща течност пряко влияе върху качеството и ефективността на обработката — правилните охлаждащи течности намаляват триенето и резачното топлинно натоварване, удължават живота на инструментите и подобряват точността на обработката.

1. Изисквания към материала на инструмента

• Твърдостта на инструментите трябва да е значително по-висока от твърдостта на титановите сплави, за да се осигури ефективно рязане.
• Инструментите трябва да притежават достатъчна якост и ударна вязкост, за да издържат високия въртящ момент и резачните сили.
• Поради високата вязкост на титановите сплави режещите ръбове трябва да остават остри; следователно се изисква отлична стойностност срещу износване, за да се минимизира увличането (work hardening).

2. Избор на геометрията на фрезата

Поради уникалните характеристики при обработката на титанови сплави геометрията на фрезата се различава значително от тази на конвенционалните инструменти.
A по-малък ъгъл на витловата линия (β) се препоръчва за увеличаване на обема на канавките, подобряване на отвеждането на стружката и подобряване на отвеждането на топлината.

3. Избор на режещи параметри

При обработката на титанови сплави трябва да се използват по-ниски скорости на рязане в комбинация с подходящи подавания, разумни дълбочини на рязане и контролирани припуски за финишна обработка.

4. Избор и приложение на охлаждаща течност

Трябва да се избягват охлаждащи течности, съдържащи хлор, за да се предотврати образуването на токсични вещества и водородна ембрилност, както и да се намали риска от корозионно пукане под напрежение при високи температури.
Препоръчва се използването на синтетични водоразтворими емулсии или специално формулирани охлаждащи течности, подходящи за обработка на титанови сплави.